用巴西技术规范验算无套管穿越管道强度的方法

陈志立

(中国石化集团江汉石油管理局勘察设计研究院，湖北 武汉 430223)

1 工程概况

TRBA天然气管道工程项目位于巴西Salvado市的S˜аo Francisco地区，工程载货重车需要穿过已有站场，借道通过。为此，需要验证载重车辆通过时该场站地下管道的安全，通过计算核验，向业证明重车通过该站场不会危及其地下管道的安全。

有三条管线从路面地下穿过，其中，两条12"管线、一条14"管线。管道埋深均大于0.6 m，无套管。从偏于安全的角度考虑，计算时，埋深都按0.6 m考虑。

管线参数:14"管道直径 D=356 mm、壁厚 e=0.95 mm、强度 Sy=483 Mpa、X70规格;12"管道直径 D=324 mm、壁厚 e=0.95 mm、强度 Sy=483 Mpa、X70规格。借道通过期间，地下管道正常工作，压力保持常态平稳。

2 巴西技术规范的相关要求

2.1 管道环向应力计算

根据巴西国家规范NBR12712:2001(燃气管道系统穿越设计)第22.6条规定，由外荷载引起的管道环向应力按下式计算:

其中，Sce:外荷载引起的环向应力;Kf:屈曲系数;n:壁厚和外径之间的关系，n=(e/D);Kd:挠度系数;P:压力(常态压力);Ec:弹性模量;q:管道顶部理想均匀分布的地面压力，q=q1+q2，压力包括土重和车辆荷载，其中，q1为管道顶部理想均匀分布的覆土压力，q2为管道顶部理想均匀分布的车辆荷载压力。

2.2 土力学参数计算

确定土壤对埋地管道的压力时用Marston－Sprangler方法，需要以下参数:λ:土体有效重度;μ:土壤内部的摩擦系数;φ:土壤的摩擦角μ＇:土壤针对管沟壁的摩擦系数，对应的摩擦角为θ＇;k:土推力系数(活载推力)或朗肯系数，由土壤内部摩擦角函数算出:k=tg2(45°－Ф/2);kμ＇:地面推力系数与土壤对沟壁摩擦系数综合效应系数;kμ:地面推力系数与土壤的摩擦系数综合效应系数。

这些值可以实验测量取得，也可以根据可靠经验取值，并按不同情况计算。

出于实用的目的，表1中提供的值取kμ=kμ＇。

表1 土层参数

3 荷载计算方法

计算土层的竖向荷载，其应力扩散传递方程可参阅技术文献BULSON，或 GB50007－2011建筑地基基础设计规范中的式 5.2.7 －3。

3.1 土体自重荷载

已有地下管道是属于挖沟敷设，其土体自重传递的荷载计算方法如下:

由于施工过程中，在管沟之间有相对运动的趋势，倒梯形管沟侧壁土体完整，这将导致摩擦和挤压力有相对向上的趋势。因此，沟壁的切向摩阻力将承担一部分荷载，削弱后的荷载即为传递到管道上的载荷q。

管沟壁与回填土间的向上的摩阻力分量为传递到沟壁合力乘以摩擦角的正切值，传递到管道上的荷载用削弱后的垂直压力F乘以推力系数k表达。凝聚力在这个计算中通常被忽略，因为它的有益效果会通过后生效，一定时间内执行的垃圾填埋场。从这些假设，它遵循的表达管道上的竖向荷载作用下的计算结果:

q1:管道顶部的土体重量所产生的压力(Kpa);γ:回填土的有效重度;hs:管顶至地面的距离;bv:管沟的宽度;取 kμ＇=0.192(见表1)。

3.2 地面行驶车辆产生的荷载

相对较小的覆土厚度上，施加到地面上的重载的效应会更显著;反之，覆土越厚则效应越微弱。规范NBR－12712 第 11.4.1.5 款:“埋藏深度超过3 米，地面移动荷载传递到管道的效应可以忽略不计”，本工程已有管道埋深小于3 m，计算参数如下:

通过对植被覆盖较为密集区值大于0.5的区域对比可以看出2013年植被覆盖较为密集区大于2017年，说明了城市在扩建过程中占用了部分绿地，导致植被覆盖区面积减少。

其中，q2:地面荷载传递到管顶的竖向压力;i为应力重叠指数。

T为单车轮引起的地面压力(Q)传到管顶的荷载(KPa):

式中:a、b分别为车轮与地面接触面的长度和宽度;Prof:管道埋深。

压力从接触面(a×b)，按一定角度扩散至管顶面。考虑到几个轮胎向下扩散的压力有重叠区域，其关系用应力重叠指数表达i=i1×i2，其中，i1为应力纵向重叠指数，i2为应力横向重叠指数。i1、i2的计算方法如下:

式中:profi1为应力纵向重叠的深度;de为车轮轴距。

i1取大于“i1＇”的最近的整数;

式中:profi2为应力横向重叠的深度;

i2取值:如果 i2＇＜ =1 ，则取 i2=1;如果 i2＇＞ 1，则取i2=2

校验计算中，相关系数的取值参照 NBR12712:2001 Projeto de sistemas de transmiss˜аo e distribuic˜аo de gás combustível(燃气管道系统穿越设计)取:

Kf=0.294 (NBR 12712:2001，表17 －屈曲系数，Kf－42页)

Kd=0.11 (NBR 12712:2001，表16 －挠度系数，Kd－42页)

P=1422;psi=9 805 Kpa;Ec=200 000 000 Kpa

根据 NB －6 Carga móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre(公路桥及人行天桥移动荷载)的规定，取:单轴荷载=450 KN=45 tf;车轮载荷(Q)=225 KN=23 tf

a=0.6 m;b=0.2 m;de=1 m;dr=1.8 m;α =45°;γ =21 KN/m3

3.3 安全系数的计算

地下道路在路面载重车辆通过时的安全系数，由下式计算:

式中:Sy为管材强度;Sce为外荷载引起的管道环向应力。

4 校验结果及结论

根据以上述计算方法对目标管线的安全性进行了计算，计算结果分别如表2、表3所示。

表2 14"管线安全性核验计算结果

表3 12"管线安全性核验计算结果

表3为12"管线的验算结果，从计算结果中可以看出，管线埋深为0.6 m时，安全系数为4，实际管线埋深是大于0.6 m的，因此，其在载重车辆通过时，受压损坏的安全系数大于4，埋地管道是安全的。

从表2、表3的计算结果中可以看出，埋深越深，安全系数越高。当管线埋深为0.6 m时，14"管线的安全系数为3.7，12"管线的安全系数为4。实际管线埋深均大于0.6 m，因此，在载重车辆通过时，受压损坏的安全系数大于3.7，埋地管道是安全的。

［1］NBR12712：2001，Projeto de sistemas de transmiss˜аo e distribuic˜аo de gás combustível(燃气管道系统穿越设计)［S］.

［2］BULSON，P.S.Buried structures：static and dynamic strength［M］.London：Chapman and Hall，1985.

［3］NB －6，Carga móvel em ponte rodoviária e passarela de pedestre(公路桥及人行天桥移动荷载)［S］.